岳軍偉，李華源

(商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000)

人工造林被認(rèn)為是應(yīng)對氣候變化、提高區(qū)域植被固碳能力的主要措施之一[1]。隨著人們對森林的碳匯功能認(rèn)識的深化，各國都大力營造人工林，人工造林面積快速增加。聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)發(fā)布的《全球森林資源評估》[2]顯示，2020年全球人工林面積為29300萬hm2，1990—2020年間人工林面積增加了12300萬hm2，年增長率約為2.4%。在許多地區(qū)人工造林不僅是森林面積增加的主要途徑，同時(shí)也是抵消甚至逆轉(zhuǎn)因森林采伐導(dǎo)致的碳排放，實(shí)現(xiàn)碳積累的有效途徑[3]。天然林具有較高的生物多樣性、復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu)、豐富的生境特征，對環(huán)境變化具有較大的緩沖能力[4]。在維護(hù)生態(tài)平衡、應(yīng)對氣候變化、保護(hù)生物多樣性中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，全球天然林面積從1990年的403800萬hm2減少到2020的373700萬hm2，30 a間天然林面積每年減少約1000萬hm2[2]。從全球尺度看，和人工林相比，天然林無論面積還是蓄積量都遠(yuǎn)超人工林，處于絕對優(yōu)勢地位，在固碳方面的作用至關(guān)重要。

天然林和人工林的相似性和差異性是許多對森林變化感興趣的利益相關(guān)者之間討論的話題[2]。受管理方式的影響，人工林與天然林的蓄積量年增長曲線存在明顯差異[5]，兩者在固碳特征上也存在差異。Guo等[6]發(fā)現(xiàn)人工林表現(xiàn)出比天然林更高的生產(chǎn)力和固碳速率，Chen等[7]研究也指出馬尾松人工林的植被碳密度明顯大于天然林。而Liao等[8]通過Meta分析研究得出人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度顯著低于天然林，約為天然林的72%。也有研究認(rèn)為，即使天然林的林齡低于人工林，由于其齡級結(jié)構(gòu)和材質(zhì)優(yōu)于人工林，其碳固存能力也高于人工林[9-10]。樹種、森林管理措施、林齡、土壤條件等方面的差異，都會(huì)導(dǎo)致天然林和人工林固碳能力的差異[7]。隨著森林在緩解全球氣候變暖和碳循環(huán)過程中所發(fā)揮作用被深刻理解，確定人工林是否具有和天然林生態(tài)系統(tǒng)相同的生產(chǎn)力和固碳能力，引起了人們的廣泛關(guān)注[6-8，11-12]。

我國人工林面積增加迅速，從1990年的4415萬hm2增加到2020年的8470萬hm2，在20世紀(jì)末的后20 a，由人工林增加帶來的碳匯增量約為45000萬t[13]。天然林面積從1990年的11299萬hm2增加到2020年的13528萬hm2。森林資源清查數(shù)據(jù)顯示，無論是面積還是蓄積量，天然林都是我國森林資源的主體，同時(shí)人工林發(fā)展迅速，面積居世界首位[14]。對于天然林和人工林的對比研究主要集中于養(yǎng)分特征[15-16]、土壤呼吸[17-18]、群落特征[19]、生長模型[20]等方面，而對兩者固碳特征差異只有少量林分尺度的研究[7]，對大尺度天然林和人工林固碳特征差異的研究較少。本研究選擇我國天然林和人工林為研究對象，量化比較其碳密度、碳儲量，以期深化對大尺度的天然林和人工林固碳特征差異的理解，而且對改進(jìn)天然林和人工林管理策略以提高碳匯功能也具有一定的參考價(jià)值。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于中國林業(yè)數(shù)據(jù)庫中的《森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)》(第一次～第八次)，包括森林類型的齡級、面積、蓄積以及各省天然林和人工林面積和蓄積等。

1.2 計(jì)算方法

方精云等[21]分析計(jì)算了我國1977—1998年間歷次森林資源清查數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)單位面積生物量與單位面積蓄積量之間呈良好的線性關(guān)系，并據(jù)此建立了兩者之間的回歸方程：y=0.5751x+38.706(n=120，r2=0.83)，式中：y為單位面積生物量(t·hm-2)；x為單位面積蓄積量(m3·hm-2)。對于無法確定優(yōu)勢樹種但具有總蓄積量的樹種，可以通過上述公式來估算總生物量。

林分碳密度計(jì)算公式：Cd=C/A，林分碳儲量為林分生物量與含碳率的乘積，即：C=B×Cf，式中：Cd為林分碳密度(t·hm-2)；C為林分碳儲量(t)；A為林分面積(hm2)；B為生物量(t)；Cf為生物量含碳率。不同樹種的生物學(xué)特性、林齡不同，含碳率也不同，國際上常用的含碳率為0.45[22]和0.5[23]，考慮到本文中計(jì)算的是喬木樹種的碳儲量，干物質(zhì)含碳率通常較高，故以0.5作為含碳率值。

2 結(jié)果與討論

2.1 主要林區(qū)人工林、天然林碳密度和碳儲量

按森林資源地理區(qū)域分布特點(diǎn)，我國林區(qū)主要有東北內(nèi)蒙林區(qū)、東南低山丘陵林區(qū)、熱帶林區(qū)、西南高山林區(qū)和西北高山林區(qū)[24]。各林區(qū)天然林碳儲量呈現(xiàn)出較大的差異，為2.44～20.26億t。人工林碳儲量為0.18～8.05億t，東北內(nèi)蒙林區(qū)、西南高山林區(qū)和熱帶林區(qū)3個(gè)林區(qū)人工林碳儲量差異較小，在1.13～1.62億t。整體上各林區(qū)天然林碳儲量遠(yuǎn)高于人工林，東北內(nèi)蒙林區(qū)、東南低山丘陵林區(qū)、西南高山林區(qū)、西北高山林區(qū)和熱帶林區(qū)天然林碳儲量分別是人工林碳儲量的14.17、1.45、13.66、13.76和2.23倍(圖1a)。一方面因?yàn)槌裏釒Я謪^(qū)外(熱帶林區(qū)天然林、人工林面積分別為582、629萬hm2)，其它各林區(qū)天然林面積均明顯高于人工林面積。另一方面天然林單位面積蓄積量明顯大于人工林，尤其是東北和西南是我國傳統(tǒng)林區(qū)，天然林面積大，林分蓄積量高；而西北地區(qū)以天然林為主，大多數(shù)分布在高山峻嶺及水分條件好的山地。

圖1 主要林區(qū)人工林和天然林碳儲量、碳密度

林分碳密度是林分碳匯功能的重要評價(jià)指標(biāo)之一，也是林分質(zhì)量的重要體現(xiàn)[23]。一定條件下，碳密度大的林分質(zhì)量較高，反之，林分質(zhì)量較差。西南高山林區(qū)天然林碳密度最高，為71.30 t·hm-2，約為東南低山丘陵林區(qū)天然林碳密度(36.27 t·hm-2)的2倍，其它區(qū)域依次是熱帶林區(qū)(62.04 t·hm-2)>西北高山林區(qū)(56.02 t·hm-2)>東北內(nèi)蒙林區(qū)(48.14 t·hm-2)。西南高山林區(qū)是我國大江大河的源頭區(qū)，天然林保存較好，成熟林、過熟林比例相對較高，其碳密度最大；熱帶林區(qū)林木生產(chǎn)力高，其碳密度也相對較高；西北高山林區(qū)分布有大面積的云杉、冷杉天然林，周玉榮等[24]、王效科等[25]的研究都顯示，云杉林、冷杉林的喬木碳密度均超過80 t·hm-2，在我國主要森林中是最高的；東南低山丘陵區(qū)天然林大多是天然次生林，中齡林和幼齡林比例高，且本區(qū)竹林面積較大，占本區(qū)天然林面積比例接近10%[26]，因此，該區(qū)天然林碳密度最低。各林區(qū)人工林碳密度為25.71～38.85 t·hm-2，具體為東北內(nèi)蒙林區(qū)>東南低山丘陵林區(qū)>西南高山林區(qū)>西北高山林區(qū)>熱帶林區(qū)，整體差異較小。東北內(nèi)蒙林區(qū)是我國重要商品林基地，長期以來人工林培育目的是以提供木材為主，集約化經(jīng)營程度高，其碳密度最高。西北高山林區(qū)的人工林以中齡林和幼齡林為主，兩者面積比例超過90%[26]，碳密度相對較低。其它3個(gè)林區(qū)的人工林中，經(jīng)濟(jì)林比例較高，經(jīng)濟(jì)林管理以追求經(jīng)濟(jì)效益為主要目的，林分碳密度較低。其中熱帶林區(qū)的經(jīng)濟(jì)林面積占人工林的比例超過50%[26]，碳密度在各個(gè)林區(qū)中最低。天然林和人工林在不同林區(qū)的碳密度大小順序并不一致，主要是受林分種類和林齡結(jié)構(gòu)的影響。本研究中各林區(qū)人工林碳密度均低于天然林，東北內(nèi)蒙林區(qū)、東南低山丘陵林區(qū)、西南高山林區(qū)、西北高山林區(qū)、熱帶林區(qū)人工林碳密度分別為同林區(qū)天然林碳密度的80.70%、83.20%、38.59%、48.76%、41.44%，這充分體現(xiàn)了天然林在固碳方面的優(yōu)勢(圖1b)。

要繼續(xù)實(shí)施天然林保護(hù)工程，強(qiáng)化天然林的管理，嚴(yán)加保護(hù)和恢復(fù)，對不同區(qū)域的天然林，采取不同的森林提質(zhì)增效措施。對于東北、西南地區(qū)，在嚴(yán)格保護(hù)天然林的同時(shí)，適度進(jìn)行人工造林以修復(fù)生態(tài)脆弱區(qū)。對于華北和西北地區(qū)，一方面要嚴(yán)格保護(hù)天然林，另一方面要大力營造人工林，同時(shí)要加大力度改造林分結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性失調(diào)、林木生長發(fā)育遲緩、系統(tǒng)功能退化或喪失的低效林，提高林分的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，為本區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。

2.2 不同氣候區(qū)碳儲量和碳密度

根據(jù)各地的年干燥度系數(shù)，將全國劃分為濕潤、亞濕潤、亞干旱、干旱、極干旱5個(gè)氣候區(qū)[27]。各氣候區(qū)天然林碳儲量大小順序?yàn)闈駶檯^(qū)(47.13億t)>亞濕潤區(qū)(9.67億t)>亞干旱區(qū)(1.83億t)>干旱區(qū)(0.22億t)>極干旱區(qū)(0.09億t)。人工林碳儲量為濕潤區(qū)(14.78億t)>亞濕潤區(qū)(4.05億t)>亞干旱區(qū)(1.34億t)>極干旱區(qū)(0.26億t)>干旱區(qū)(0.13億t)。除極干旱區(qū)外，濕潤區(qū)、亞濕潤區(qū)、亞干旱區(qū)、干旱區(qū)天然林碳儲量均高于人工林，分別是人工林碳儲量的3.19倍、2.39倍、1.36倍、1.75倍?？傮w上看，碳儲量和降水量密切相關(guān)，降水量高的區(qū)域，森林碳儲量也高，這是由于降水量是林分生長的主要限制因子之一，濕潤地區(qū)有大面積的森林分布，而極干旱區(qū)和干旱區(qū)森林面積較小。

各氣候區(qū)天然林碳密度為36.61～61.69 t·hm-2，具體為干旱區(qū)>亞濕潤區(qū)>亞干旱區(qū)>濕潤區(qū)>極干旱區(qū)，除干旱區(qū)天然林碳密度較高外，其它氣候區(qū)碳密度差異較小(圖2b)。我國的干旱區(qū)主要為陰山、祁連山及天山一線以北地區(qū)及新疆、西藏交界的昆侖山區(qū)域，由于該區(qū)域森林多為生物量較高的亞高山針葉林，因此其碳密度最高。極干旱區(qū)主要是沙漠地區(qū)，林木生長受水分限制，同時(shí)由于受干旱和熱相關(guān)的生理脅迫和死亡的影響，森林葉面積和生物量增量減少[28]，碳密度最低。這意味著在大氣候區(qū)尺度上，除了降水和氣溫外，林分類型也是影響林分碳密度的關(guān)鍵因素。人工林碳密度差異較小，為27.75～38.52 t·hm-2，具體表現(xiàn)為干旱區(qū)>極干旱區(qū)>濕潤區(qū)>亞濕潤區(qū)>亞干旱區(qū)，可能是人為因素對人工林存活、生長影響較大，干旱區(qū)和極干旱區(qū)的樹木生長條件惡劣，需要高度的人工集約化管理才能保證其成活、生長，已經(jīng)存在的林分具有較高的碳密度；而在濕潤區(qū)和亞濕潤區(qū)，經(jīng)濟(jì)林面積比例較高，這是人類定向培育的結(jié)果，導(dǎo)致了該區(qū)林分碳密度較低。天然林和人工林碳密度大小在不同氣候區(qū)的表現(xiàn)并不一致，主要是受人為因素的影響。各氣候區(qū)天然林碳密度均大于人工林，濕潤區(qū)、亞濕潤區(qū)、亞干旱區(qū)、干旱區(qū)、極干旱區(qū)人工林碳密度僅為天然林碳密度的62.11%、58.57%、56.95%、62.45%、96.39%，同樣顯示出天然林在固碳增匯方面具有明顯的優(yōu)勢。

圖2 不同氣候區(qū)人工林和天然林碳儲量、碳密度

2.3 不同齡級人工林和天然林碳密度和碳儲量

森林碳儲量和固碳模式在很大程度上取決于林齡，林齡是影響人工喬木碳積累的主導(dǎo)因素之一[29-30]。天然林和人工林碳儲量在林齡序列上整體都呈現(xiàn)先增后減的趨勢，碳儲量最高點(diǎn)出現(xiàn)在中齡林(圖3a)。天然林各齡級碳儲量為中齡林(16.49億t)>成熟林(12.08億t)>近熟林(10.76億t)>幼齡林(10.37億t)>過熟林(8.52億t)。人工林各齡級碳儲量為中齡林(5.6億t)>幼齡林(4.64億t)>近熟林(2.97億t)>成熟林(2.38億t)>過熟林(0.67億t)。幼齡林和中齡林的碳密度值相對較小，再次表明當(dāng)前我國無論是天然林還是人工林中都存在大面積的幼齡林和中齡林，成熟林和過熟林比例較低，林分結(jié)構(gòu)不合理，隨著林分的生長，我國森林的固碳能力將會(huì)有巨大提升。

整體上，隨林齡增加，人工林具有快速的碳積累能力，其碳密度從幼齡林的24.85 t·hm-2迅速增長到成熟林的46.64 t·hm-2，達(dá)到峰值。此后進(jìn)入過熟林階段，碳密度略有下降，降為45.19 t·hm-2(圖3 b)。這是由于喬木林在其生長階段前期隨林齡增長具有快速的碳積累能力，到某一特定林齡后，由于水分、營養(yǎng)的缺失，林分老化導(dǎo)致的死亡率升高[29-30]以及干擾、競爭[31]等因素，光合速率比呼吸速率下降更快，導(dǎo)致后期林分碳密度下降。天然林的碳密度從幼齡林的29.91 t·hm-2持續(xù)增加到過熟林的93.69 t·hm-2(圖3 b)，沒有類似人工林的衰退現(xiàn)象，一方面是由于天然林結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多為異齡林且樹種豐富，即使過熟林，也呈現(xiàn)出較強(qiáng)的固碳能力。另一方面，由于我國天然林林齡普遍較小，過熟林也很少有林齡足夠長的林分，在整體上尚未表現(xiàn)出衰退的情況。

圖3 不同齡級人工林和天然林碳儲量、碳密度

對比人工林和天然林各齡階的碳密度可以看出，在中幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林階段，天然林碳密度分別是人工林的1.20倍、1.18倍、1.27倍、1.55倍、2.07倍，天然林的固碳能力明顯高于人工林。這是由于天然林具備對物質(zhì)生產(chǎn)有利的林分結(jié)構(gòu)特征；人工林生產(chǎn)力短期來看較高，但長期來看，特別是在輪伐期短且集約栽培跟不上的情況下，其產(chǎn)量不能與天然林相比[32]。

總體上看，我國人工林管理的集約化水平較低，重造林輕管護(hù)，對造林后的撫育管理重視程度不夠，導(dǎo)致人工林生產(chǎn)力水平低下。當(dāng)前最緊迫任務(wù)是改善森林功能、提高單位面積喬木林分蓄積量。未來應(yīng)提高人工林整個(gè)生長階段的集約化管理水平，促進(jìn)林分生長，提高其固碳能力，這也是我國森林碳匯能力的一個(gè)重要途徑。

2.4 不同森林資源清查時(shí)期人工林和天然林碳密度和碳儲量變化動(dòng)態(tài)

天然林碳儲量從第一次森林資源清查(1973—1976年)時(shí)的42.5億t快速增加到第八次森林資源清查(2009—2013年)時(shí)的58.94億t，增加了38.68%，年均增加約0.44億t。人工林碳儲量第一次森林資源清查時(shí)的5.04億t快速增加到第八次森林資源清查時(shí)的20.56億t，增加了3.08倍，年均增加約0.42億t(圖4a)。得益于我國實(shí)施的林業(yè)政策，從1989年開始，我國天然林和人工林碳儲量都快速增加。尤其是20世紀(jì)90年代末，由于逐漸認(rèn)識到生態(tài)保護(hù)的重要性，天然林保護(hù)工程和退耕還林工程開始實(shí)施，在2017年底，我國已全面禁止天然林的商業(yè)性采伐。前3次森林資源清查(1973—1988年)顯示，天然林碳儲量減少了3.63億t，減少了8.55%，這主要與大規(guī)模的天然林采伐有關(guān)。人工造林力度也不斷加大，資料顯示我國森林碳匯的增量主要來自人工林的貢獻(xiàn)，20世紀(jì)末的后20 a，人工林貢獻(xiàn)了約80%的森林碳匯增量[33]。

人工林碳密度從第一次森林資源清查時(shí)的21.35 t·hm-2增加到第八次森林資源清查時(shí)的29.65 t·hm-2，增加了38.86%。天然林碳密度從第一次森林資源清查時(shí)的44.18 t·hm-2增加到第八次森林資源清查時(shí)的48.37 t·hm-2，增加了9.5%(圖4b)。無論天然林還是人工林，其單位面積的固碳能力持續(xù)提升，表明我國森林質(zhì)量持續(xù)改善。人工林碳密度增加幅度遠(yuǎn)大于天然林，表明在人為干預(yù)的情況下，人工林的固碳能力提升較快。集約栽培的人工林生產(chǎn)力較高，特別在熱帶和亞熱帶地區(qū)，據(jù)Evans[34]的研究，在熱帶和亞熱帶，人工林的生產(chǎn)力可為天然林的3～7倍。這也是我國大力實(shí)施人工造林的理論依據(jù)之一。人工造林作為我國應(yīng)對氣候變化和履行國際碳減排協(xié)議的重要舉措，應(yīng)繼續(xù)大力實(shí)施。第五次森林資源清查(1994—1998年)時(shí)的碳密度和第四次森林資源清查(1989—1993年)時(shí)相比有明顯的下降，這與第五次森林資源清查時(shí)對森林概念的界定變化有密切關(guān)系。一些原先郁閉度在20%～30%范圍內(nèi)的林分在第五次清查時(shí)也作為森林被納入該次清查中，森林總面積有了較大增加，因此碳密度明顯降低。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ分別為1973—1976年、1977—1981年、1984—1988年、1989—1993年、1994—1998年、1999—2003年、2004—2008年、2009—2013年8次森林資源清查時(shí)段。圖4 1973—2013年中國天然林和人工林碳儲量、碳密度變化趨勢

3 結(jié)論

各林區(qū)天然林和人工林碳儲量差異較大，天然林為2.44～20.26億t，人工林為0.18～8.05億t。天然林、人工林碳密度分別為36.27～71.30、25.71～38.85 t·hm-2。各林區(qū)人工林碳密度均低于天然林碳密度。各氣候區(qū)天然林和人工林碳儲量與降水量密切相關(guān)，大小順序均為濕潤區(qū)>亞濕潤區(qū)>亞干旱區(qū)>極干旱區(qū)>干旱區(qū)。各氣候區(qū)天然林碳密度為36.61～61.69 t·hm-2，人工林碳密度為27.75～38.52 t·hm-2，大氣候區(qū)尺度上，除了降水和氣溫外，林分類型也是影響林分碳密度的關(guān)鍵因素。人工林碳密度隨著林齡的增大呈先升后降的趨勢，而天然林的碳密度隨著林齡增大呈現(xiàn)快速增加的趨勢。天然林和人工林各齡級碳儲量整體上都呈先增后減的趨勢。

從20世紀(jì)70年代以來，我國天然林和人工林的碳儲量、碳密度都有明顯提高，尤其是人工林碳儲量增加較快。綜合天然林和人工林的特點(diǎn)，應(yīng)采取不同的森林經(jīng)營管理措施。對于天然林，要繼續(xù)實(shí)施天然林保護(hù)工程，嚴(yán)加保護(hù)，以利于其自然恢復(fù)；同時(shí)加強(qiáng)天然林固碳方面的研究，探索更多固碳增匯的途徑，科學(xué)經(jīng)營天然林。對人工林資源以大力培育并高效發(fā)展工業(yè)人工林為主，實(shí)行集約栽培管理措施，改善群落結(jié)構(gòu)，提高穩(wěn)定性，保持高生產(chǎn)力，確保我國資源的可持續(xù)利用。